，，

生物樣本庫(kù)又稱(chēng)生物銀行，是針對(duì)特定人群展開(kāi)生物大分子、組織、信息等樣本進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的收集、處理、保存和研究的平臺(tái)。隨著轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)研究的不斷深入，生物樣本庫(kù)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，也日益受到各個(gè)國(guó)家的重視[1-3]。而生物樣本庫(kù)的管理如同一個(gè)簡(jiǎn)化的物聯(lián)網(wǎng)模型，離不開(kāi)管理系統(tǒng)和標(biāo)識(shí)化的信息。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)于推動(dòng)生物樣本庫(kù)信息化管理也起到巨大的推動(dòng)作用。

1 生物樣本庫(kù)管理面臨的問(wèn)題

目前，生物樣本庫(kù)一般使用唯一編號(hào)對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)識(shí)，樣本的位置和出入庫(kù)通過(guò)樣本管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。限于成本問(wèn)題，絕大多數(shù)生物樣本庫(kù)在日常運(yùn)行中沒(méi)有或沒(méi)有全程使用自動(dòng)化設(shè)備，因此對(duì)于樣本的實(shí)體管理與樣本相關(guān)記錄操作就無(wú)法在同一時(shí)間或同一地點(diǎn)完成，導(dǎo)致樣本庫(kù)管理系統(tǒng)無(wú)法實(shí)時(shí)對(duì)樣本的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。在樣本庫(kù)質(zhì)量控制的諸多因素中，樣本收集和處理最為關(guān)鍵，其中收集和處理過(guò)程中樣本的溫度、環(huán)境、離體時(shí)間和處理方式都是主要影響因素。樣本質(zhì)量自離體開(kāi)始就受這些因素的干擾，將這些因素科學(xué)有效的記錄下來(lái)，能夠克服單純手工登記不能連續(xù)記錄的弊端，對(duì)樣本的均一性和質(zhì)量控制都至關(guān)重要。

2 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫(kù)管理中的優(yōu)勢(shì)

物聯(lián)網(wǎng)被視為確立未來(lái)信息社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。作為計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊網(wǎng)之后的第三次產(chǎn)業(yè)浪潮，各種智能傳感設(shè)備，可穿戴設(shè)備，都逐步應(yīng)用到社會(huì)方方面面[4-6]。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 射頻識(shí)別技術(shù) 射頻識(shí)別技術(shù)(radio frequency identification，RFID)又稱(chēng)無(wú)線(xiàn)射頻識(shí)別技術(shù)，可通過(guò)無(wú)線(xiàn)電信號(hào)給芯片提供能量并讀寫(xiě)相關(guān)數(shù)據(jù)，兩者不需要直接接觸和使用額外的識(shí)別設(shè)備，RFID具有識(shí)別快、傳輸距離遠(yuǎn)、數(shù)據(jù)容量大、耐用、可讀寫(xiě)等特點(diǎn)，但是RFID芯片價(jià)格昂貴，限制了其大規(guī)模應(yīng)用[7]。

2.2.2 二維碼技術(shù) 同樣是物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵核心技術(shù)，二維碼由一個(gè)二維碼點(diǎn)陣圖形和一個(gè)編號(hào)組成，配以對(duì)應(yīng)的說(shuō)明文字，通過(guò)專(zhuān)用讀碼設(shè)備或攝像頭讀取二維碼中的大量信息。二維碼具有信息量大、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、識(shí)別速度快的特點(diǎn)。作為一種準(zhǔn)確、高效、價(jià)格低廉的數(shù)據(jù)獲取方式，已在金融、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)、自動(dòng)化等許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。與RFID相比，二維碼除了印刷，幾乎不需要增加成本[8]。所以基于二維碼的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)管理生物樣本庫(kù)已成為行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。

2.2 二維碼技術(shù)在生物樣本庫(kù)中的應(yīng)用 近年來(lái)，生物樣本庫(kù)開(kāi)始大規(guī)模使用二維碼。與傳統(tǒng)的條形碼相比，二維碼占用體積小，可以打印在細(xì)小的凍存管上而不因管壁的弧度影響識(shí)別。將其印刷到凍存管底部，通過(guò)掃描設(shè)備進(jìn)行整盒掃描批量出入庫(kù)。二維碼包含的樣本信息量大，內(nèi)容可以包括字母、數(shù)字和中文等信息，也能夠通過(guò)掃描二維碼實(shí)現(xiàn)特定的功能，例如將特定的命令信息寫(xiě)入二維碼中，通過(guò)掃描傳入到系統(tǒng)而完成特定的快捷操作。因此使用二維碼技術(shù)能夠方便快捷地管理樣本信息。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的生物樣本庫(kù)全流程管理

基于現(xiàn)有生物樣本庫(kù)管理的經(jīng)驗(yàn)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用二維碼技術(shù)研發(fā)的生物樣本庫(kù)管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)終端管理生物樣本庫(kù)流程。

3.1 系統(tǒng)介紹 通過(guò)手持終端實(shí)現(xiàn)樣本管理操作，相對(duì)于在電腦上手動(dòng)操作樣本庫(kù)管理系統(tǒng)，能夠提升管理效率，提高樣本管理的精確度[9]。圖1所示，新開(kāi)發(fā)的樣本管理系統(tǒng)增加了對(duì)手持終端的支持，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，能夠在樣本庫(kù)的任意位置對(duì)樣本進(jìn)行操作。增加各類(lèi)二維碼標(biāo)識(shí)，不僅對(duì)樣本進(jìn)行標(biāo)識(shí)化管理，并對(duì)各種設(shè)備和流程進(jìn)行標(biāo)識(shí)化，做到了標(biāo)識(shí)即流程。使用有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的便攜式測(cè)溫條碼掃描儀，獲取標(biāo)識(shí)信息和被掃描樣本表面的溫度。將設(shè)備標(biāo)識(shí)信息與操作流程相關(guān)聯(lián)，樣本管理系統(tǒng)獲得標(biāo)識(shí)信息的同時(shí)啟動(dòng)樣本流程管理模式，自動(dòng)記錄當(dāng)前操作人信息、操作時(shí)間、樣本信息等。實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)流程與虛擬流程的同步操作，減少了操作人員的工作量，也避免了因不同步導(dǎo)致的記錄偏差[11]。新系統(tǒng)與隨訪(fǎng)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)連接，從醫(yī)院接收的樣本可以直接獲取相關(guān)的信息，并實(shí)時(shí)更新。

3.2 二維碼流程管理 生物樣本庫(kù)使用二維碼標(biāo)識(shí)代替流程管理。目前使用二維碼管理的類(lèi)型有各種耗材、設(shè)備、流程和標(biāo)記，如表1所示。其中樣本類(lèi)和設(shè)備類(lèi)的標(biāo)識(shí)主要是用于樣本和設(shè)備的識(shí)別，如凍存管采用底部二維碼設(shè)計(jì)，每支凍存管都有唯一的編號(hào)，可用于批量掃描獲取信息。手持終端掃描樣本類(lèi)和設(shè)備類(lèi)的標(biāo)識(shí)可以激活樣本管理系統(tǒng)中與之相關(guān)的操作。流程和標(biāo)記類(lèi)二維碼包含了可以被生物樣本庫(kù)管理系統(tǒng)解析的快捷命令，每個(gè)命令按照一定的語(yǔ)法編寫(xiě)，通過(guò)掃描傳遞給生物樣本庫(kù)管理系統(tǒng)，用于執(zhí)行一系列樣本操作。

圖1 基于二維碼技術(shù)的生物樣本庫(kù)管理系統(tǒng)架構(gòu)

類(lèi)型標(biāo)識(shí)名稱(chēng)說(shuō)明樣本類(lèi)標(biāo)識(shí)凍存管標(biāo)識(shí)凍存盒標(biāo)識(shí)樣本和凍存盒唯一標(biāo)識(shí),掃描可以獲取樣本和凍存盒信息,并可以根據(jù)樣本目前狀態(tài)選擇完成該樣本或整個(gè)凍存盒的出入庫(kù)等操作設(shè)備類(lèi)標(biāo)識(shí)冰箱標(biāo)識(shí)液氮罐標(biāo)識(shí)離心機(jī)標(biāo)識(shí)操作臺(tái)標(biāo)識(shí)分裝設(shè)備標(biāo)識(shí)核酸提取標(biāo)識(shí)凍存設(shè)備的唯一標(biāo)識(shí),掃描可以獲取該設(shè)備的信息,包括溫度監(jiān)控信息,瀏覽冰箱存儲(chǔ)情況和快速存入冰箱離心機(jī)、操作臺(tái)等操作設(shè)備唯一標(biāo)識(shí),掃描后可以進(jìn)行操作設(shè)備的相關(guān)操作,也可與相關(guān)流程類(lèi)標(biāo)識(shí)結(jié)合使用。流程類(lèi)標(biāo)識(shí)開(kāi)始分裝標(biāo)識(shí)分裝過(guò)程開(kāi)始時(shí),掃描該標(biāo)識(shí),開(kāi)始分裝流程離心標(biāo)識(shí)離心前,掃描該標(biāo)識(shí),確認(rèn)離心條件,完成樣本離心流程暫存標(biāo)識(shí)樣本類(lèi)標(biāo)識(shí)和暫存標(biāo)識(shí)結(jié)合使用,完成樣本暫存接收標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)單和接收標(biāo)識(shí)結(jié)合使用,完成樣本接收標(biāo)記類(lèi)標(biāo)識(shí)溶血標(biāo)記標(biāo)識(shí)污染標(biāo)記標(biāo)識(shí)樣本類(lèi)標(biāo)識(shí)和標(biāo)記類(lèi)標(biāo)識(shí)結(jié)合使用,完成樣本的標(biāo)記

掃描標(biāo)識(shí)進(jìn)行樣本管理的基本流程如圖2所示。操作人員使用時(shí)首先掃描流程類(lèi)標(biāo)識(shí)，激活該管理流程。部分設(shè)備只對(duì)應(yīng)一種流程，因此掃描該設(shè)備的標(biāo)識(shí)也能激活相應(yīng)的管理流程。然后根據(jù)手持終端的提示輸入流程的補(bǔ)充信息，并確認(rèn)處理的樣本信息完成流程操作。也可以?huà)呙杩旖莘绞綐?biāo)識(shí)激活預(yù)先定制好的流程信息，并將符合要求的樣本統(tǒng)一處理。

圖2 掃描管理流程圖

3.3 物聯(lián)網(wǎng)管理 生物樣本庫(kù)管理樣本的流程由樣本的采集、運(yùn)輸、處理、出入庫(kù)、搬移、外送、提取和檢測(cè)等組成，每個(gè)流程都涉及多個(gè)步驟及操作[12]，新的樣本管理系統(tǒng)運(yùn)用二維碼和手持終端將所有流程納入管理。

3.3.1 接收階段 樣本接收人員查看樣本狀態(tài)、數(shù)量、有無(wú)破損，掃描樣本轉(zhuǎn)運(yùn)箱的標(biāo)識(shí)和接收單標(biāo)識(shí)，完成樣本接收。系統(tǒng)將自動(dòng)記錄接收時(shí)間、轉(zhuǎn)運(yùn)箱編號(hào)和接收單編號(hào)，同時(shí)樣本狀態(tài)從運(yùn)輸狀態(tài)更新為待登記狀態(tài)。

3.3.2 登記階段 樣本登記人員操作計(jì)算機(jī)，掃描樣本編號(hào)，測(cè)量樣本表面溫度，通過(guò)樣本管理系統(tǒng)獲取該編號(hào)的捐獻(xiàn)者信息、采集時(shí)間，分配凍存管編號(hào)，關(guān)聯(lián)凍存盒信息和接收階段信息。系統(tǒng)根據(jù)樣本類(lèi)型判斷是否需要離心，需要離心的樣本將更新為待離心狀態(tài)，否則更新為待分裝狀態(tài)。

3.3.3 離心階段 離心人員掃描離心機(jī)上標(biāo)識(shí)，在手持終端上選擇要離心的樣本編號(hào)，默認(rèn)全選(最大40個(gè))，選擇離心條件、離心時(shí)間，進(jìn)入離心流程。也可以?huà)呙杩焖匐x心標(biāo)識(shí)，按照預(yù)定的離心條件將所有待離心狀態(tài)的樣本變成離心狀態(tài)。離心狀態(tài)的樣本會(huì)根據(jù)離心時(shí)間自動(dòng)更新為待分裝狀態(tài)。

3.3.4 分裝階段 分裝人員掃描分裝設(shè)備標(biāo)識(shí)或操作臺(tái)標(biāo)識(shí)，選擇分裝方式，掃描待分裝存入的凍存管或凍存盒，掃描凍存盒默認(rèn)會(huì)將所有保存在該凍存盒中的處于待處理的樣本進(jìn)行分裝，完成分裝流程。也可以?huà)呙桀A(yù)設(shè)好的快速分裝標(biāo)識(shí)，按照預(yù)定的規(guī)則完成分裝。

3.3.5 入庫(kù)階段 入庫(kù)人員掃描凍存設(shè)備，一般是要存入的冰箱標(biāo)識(shí)，在掃描凍存盒，凍存盒將存入該冰箱的待存區(qū)，之后需要在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行冰箱內(nèi)的定位，完成入庫(kù)。也可以?huà)呙鑳龃嬖O(shè)備上的快速存儲(chǔ)，凍存盒將自動(dòng)存入該冰箱中的順序空位置。如果掃描的是暫存冰箱的標(biāo)識(shí)，樣本則會(huì)變成暫存狀態(tài)，等待管理員取出和入庫(kù)。與其他操作設(shè)備不同，凍存設(shè)備的信息將會(huì)長(zhǎng)期與其保存的樣本信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如冰箱的設(shè)定溫度就是樣本的保存溫度或暫存溫度，溫度監(jiān)控系統(tǒng)也會(huì)將冰箱的溫度情況進(jìn)行長(zhǎng)期記錄。

物聯(lián)網(wǎng)管理樣本流程的實(shí)質(zhì)就是管理樣本的狀態(tài)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)獲取每個(gè)樣本狀態(tài)的相關(guān)信息，加以匯總，在一個(gè)樣本完成實(shí)際入庫(kù)的同時(shí)，完成樣本管理系統(tǒng)對(duì)樣本入庫(kù)的管理。樣本入庫(kù)階段，樣本狀態(tài)、樣本流程和操作之間的關(guān)系如圖3所示。

圖3 樣本過(guò)程與狀態(tài)圖

4 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫(kù)管理中的意義

4.1 與傳統(tǒng)的生物樣本庫(kù)管理比較 使用掃描二維碼的記錄操作方式代替了紙質(zhì)記錄和專(zhuān)人在計(jì)算機(jī)上操作，提高了記錄的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，簡(jiǎn)化了操作流程，提升了樣本的出入庫(kù)效率，使得樣本管理系統(tǒng)可以覆蓋更多的操作流程。使用自主開(kāi)發(fā)的手持終端管理樣本庫(kù)流程，操作者使用前需要登錄個(gè)人賬號(hào)，每次掃描都會(huì)對(duì)標(biāo)識(shí)表面進(jìn)行測(cè)溫，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)流程自動(dòng)判斷是否保存溫度記錄，每次操作的操作人、時(shí)間和設(shè)備都會(huì)記錄到各個(gè)流程中。

4.2 與全自動(dòng)化的樣本庫(kù)管理比較 使用掃描二維碼的記錄操作方式仍然屬于人工操作為主，沒(méi)有節(jié)約人力，但是設(shè)備成本低廉，易于成型。自動(dòng)化設(shè)備限于規(guī)模和成本無(wú)法集成更個(gè)性化的操作流程，而掃描二維碼的流程只要設(shè)計(jì)好相應(yīng)的流程和功能就能實(shí)現(xiàn)，因此可以覆蓋更多的操作流程[13-14]。

4.3 提高生物樣本信息準(zhǔn)確性 生物樣本的準(zhǔn)確性需要確保信息來(lái)源、優(yōu)化信息獲取途徑，減少手工錄入或書(shū)寫(xiě)引起的錯(cuò)誤。新的生物樣本庫(kù)系統(tǒng)與醫(yī)院實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)、醫(yī)院信息管理系統(tǒng)連接，直接獲取相關(guān)信息，保證了信息來(lái)源的準(zhǔn)確性。所有流程的記錄由操作人現(xiàn)場(chǎng)掃描二維碼替代了手工登記或者第三方記錄，提高了記錄的效率，增強(qiáng)了時(shí)效性，避免了手工記錄引起的的字跡不清和不規(guī)范等錯(cuò)誤。

樣本在樣本庫(kù)中的狀態(tài)，受到系統(tǒng)的嚴(yán)格控制，為不同種類(lèi)的樣本設(shè)置了不同的流程順序，彼此不會(huì)交叉，也不能跳過(guò)固有的流程順序。如果操作人員遺漏其中某一環(huán)節(jié)，系統(tǒng)會(huì)提示操作失敗，需要在操作系統(tǒng)中登記，進(jìn)行相關(guān)操作。嚴(yán)格的流程控制，保證了樣本記錄的準(zhǔn)確性，也規(guī)范了樣本收集的流程。

4.4 提供生物樣本標(biāo)準(zhǔn)化信息 保證樣本的質(zhì)量，提高樣本的均一性和準(zhǔn)確性是樣本庫(kù)管理的重點(diǎn)，傳統(tǒng)手工登記無(wú)法精確到每個(gè)樣本，一般按照處理批次來(lái)統(tǒng)一記錄。對(duì)于樣本流程的管理根據(jù)記錄的詳細(xì)程度只能精確到天或者小時(shí)，而且記錄松散難以量化。每次使用手持終端掃描流程，系統(tǒng)將自動(dòng)記錄每次操作的時(shí)間，根據(jù)需要也可以自動(dòng)記錄操作的溫度，一次完整的樣本入庫(kù)系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)記錄12次流程的操作和7次溫度，將每個(gè)樣本流程管理精確到分鐘，同時(shí)為樣本管理提供結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

4.5 提高生物樣本管理效率 將人工從繁復(fù)的信息記錄和樣本管理軟件操作中解放出來(lái)，簡(jiǎn)化樣本管理中每個(gè)流程的記錄工作，使管理人員更專(zhuān)注于樣本管理本身，提升工作效率。

4.6 實(shí)現(xiàn)生物樣本管理流程的自動(dòng)化 通過(guò)手持終端和二維碼標(biāo)簽系統(tǒng)使樣本管理系統(tǒng)覆蓋更多的樣本管理流程，讓管理系統(tǒng)突破主機(jī)和空間的限制。通過(guò)嚴(yán)格的樣本管理系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)，使樣本管理系統(tǒng)更加適應(yīng)實(shí)際的管理需要，更好的輔助工作人員進(jìn)行樣本管理。

4.7 不增加成本 與大量的引進(jìn)自動(dòng)化設(shè)備相比，手持終端和二維碼標(biāo)簽的成本幾乎可以忽略，適合向目前依然用手工管理的樣本庫(kù)推廣。

5 物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫(kù)管理中的不足

5.1 無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn) 目前物聯(lián)網(wǎng)在生物樣本庫(kù)管理中的應(yīng)用還只是單獨(dú)的系統(tǒng)，沒(méi)有形成統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)體系。在跨樣本庫(kù)、跨地區(qū)推廣時(shí)，由于沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)管理流程，在使用時(shí)會(huì)因?yàn)閷?shí)際流程與系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程不匹配，產(chǎn)生管理沖突，如果不對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行深度定制則無(wú)法起到樣本庫(kù)自動(dòng)化管理的效果。

5.2 投入成本問(wèn)題 目前生物樣本庫(kù)限于成本問(wèn)題未使用RFID技術(shù)標(biāo)記樣本管，RFID技術(shù)可以獲取一定區(qū)域內(nèi)所有RFID標(biāo)簽信息，并向RFID標(biāo)簽寫(xiě)入信息，這是二維碼技術(shù)無(wú)法替代的，這就導(dǎo)致了在部分樣本管理流程中，系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確地獲取當(dāng)前樣本管信息，而是只能手動(dòng)選擇或者按默認(rèn)批次選擇樣本，造成了樣本管理系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。

5.3 無(wú)法真正掌握樣本狀態(tài) 無(wú)論使用RFID還是二維碼標(biāo)簽，系統(tǒng)管理的都只是樣本管信息而不是樣本自身狀態(tài)，由于操作不當(dāng)引起的樣本變質(zhì)(溶血、凝血、污染等)和編號(hào)與捐獻(xiàn)者對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤等只能靠操作人員自己發(fā)現(xiàn)和改正。這還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)一套圖像識(shí)別技術(shù)，可以對(duì)整版分裝的樣本進(jìn)行拍照，根據(jù)樣本的圖像自動(dòng)判斷樣本狀態(tài)，獲取凝血溶血的樣本信息。配合可穿戴設(shè)備[15]，將會(huì)給樣本管理人員更多的幫助和便利，系統(tǒng)會(huì)分析操作人員的動(dòng)作，判斷樣本操作流程，識(shí)別正在處理的樣本，判斷和記錄樣本處理的情況。如果與自動(dòng)化設(shè)備相結(jié)合，可以大大擴(kuò)展樣本庫(kù)管理系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)范圍，提供更多的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，覆蓋更多的流程，真正實(shí)現(xiàn)樣本庫(kù)全流程管理的自動(dòng)化。